核桃小麥間作模式下冬小麥冠層結(jié)構(gòu)及其小氣候?qū)ΨN植密度的響應(yīng)

張永強(qiáng)，張恒，方 輝，陳傳信，賽力汗·賽，薛麗華，陳興武 ，雷鈞杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)際科技合作交流處，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國(guó)核桃的主要產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)核桃的發(fā)源地之一。新疆核桃種植主要集中在環(huán)塔里木盆地的灌溉綠州，其中南疆四地州(阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)、和田地區(qū)、克孜勒蘇柯爾孜克自治州)種植面積超過(guò)了36.67×104hm2(550×104畝)，占全疆核桃種植面積的94%以上[1]。大面積核桃栽植多采用與農(nóng)作物間作的模式，冬小麥?zhǔn)切陆辖貐^(qū)主要的糧食作物，核麥間作模式在該地區(qū)廣泛種植。隨著核桃樹定植年限的增長(zhǎng)，樹冠不斷擴(kuò)大，對(duì)下層小麥遮陰影響日益增加，與單作小麥相比，核桃樹對(duì)小麥的遮陰為80%左右[2]，核桃樹對(duì)下層小麥遮陰加劇了小麥群體內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)。小麥籽粒產(chǎn)量是個(gè)體與群體間共同協(xié)調(diào)的結(jié)果[3]，適宜種植密度不僅可協(xié)調(diào)小麥植株個(gè)體和群體之間矛盾，改善群體內(nèi)部環(huán)境，使植株充分利用光熱資源，還能促進(jìn)穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重的協(xié)調(diào)發(fā)展，達(dá)到增產(chǎn)的目的[4-5]。葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，葉片的大小和空間分布不僅受遺傳因子的限制，也受栽培條件的影響。葉片形態(tài)特征和葉面積在冠層分布是反映小麥群體結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一。小麥株高由節(jié)間和節(jié)組成，而株高差異主要取決于節(jié)間長(zhǎng)度差異。農(nóng)田小氣候一般是指作物地上部分冠層小氣候及地下部分根際微環(huán)境的統(tǒng)稱，在地上部分冠層溫、濕度、光照是評(píng)價(jià)冠層小氣候的重要指標(biāo)。在核麥間作模式下，由于核桃樹遮陰及種植密度的雙重效應(yīng)，對(duì)冬小麥冠層的輻射量大小可能會(huì)產(chǎn)生影響。研究核麥間作模式下，種植密度對(duì)冬小麥冠層結(jié)構(gòu)及農(nóng)田小氣候的影響,對(duì)核麥間作下選擇合適間作冬小麥種植密度有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究表明，冠層不僅可調(diào)節(jié)作物的光合作用、物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)及其生理代謝功能，還對(duì)作物產(chǎn)量形成起著重要的作用[6-7]。鄧強(qiáng)輝等[8]研究表明，冠層溫、濕度影響作物籽粒灌漿過(guò)程，較低冠層溫度能促進(jìn)籽粒灌漿充實(shí)，有利于獲得高產(chǎn)。孫淑娟等[9]研究表明，小麥株間空氣溫度低、濕度大，可促進(jìn)其產(chǎn)量增加。李向陽(yáng)等[10]研究表明，灌漿期小麥冠層溫度與籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素大部分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，僅穗粒數(shù)與灌漿初、中期冠層溫度呈微弱正相關(guān)關(guān)系。朱云集等[11]研究表明，在灌漿末期較低的冠層溫度對(duì)延緩小麥衰老、增大其灌漿強(qiáng)度、提高粒重作用顯著?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】灌漿期小麥冠層空氣相對(duì)溫濕度對(duì)其籽粒灌漿和產(chǎn)量形成的影響較大，但是前人研究多集中在單作田，而關(guān)于核麥間作模式下冬小麥種植密度對(duì)冠層結(jié)構(gòu)及小氣候影響的報(bào)道較少。研究核麥間作模式下，種植密度對(duì)冬小麥冠層結(jié)構(gòu)及農(nóng)田小氣候的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在核麥間作模式下，研究種植密度對(duì)冬小麥灌漿期冠層結(jié)構(gòu)、溫濕度和透光率的變化規(guī)律，分析核麥間作模式下冬小麥適宜的種植密度，為優(yōu)化新疆南疆核麥間作系統(tǒng)中冬小麥高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2016～2017年在新疆澤普縣阿依庫(kù)勒鄉(xiāng)5村(77°17' E，38°18' N)進(jìn)行，海拔1 215～1 490 m，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.4℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.7℃。光熱資源充足，光照時(shí)間長(zhǎng)，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，夏長(zhǎng)春秋短；春夏多大風(fēng)、沙暴、浮塵天氣。試驗(yàn)地土壤為沙壤土，前茬為夏大豆，土壤有機(jī)質(zhì)為 1.517 g/kg，全氮 0.712 g/kg，堿解氮38.4 mg/kg，速效磷17.9 mg/kg，速效鉀102.6 mg/kg。試驗(yàn)地核桃樹樹齡8年，南北行向，行距8 m，株距4 m，小麥間作帶寬7.2 m,共播種小麥36行。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在核麥間作模式下，以冬小麥品種新冬40號(hào)為材料，設(shè)5個(gè)播種密度處理，分別為450×104株/hm2(M1處理)、525×104株/hm2(M2處理)、600×104株/hm2(M3處理)、675×104株/hm2(M4處理)和750×104株/hm2(M5處理)，各處理均采用人工播種，行距20 cm，小區(qū)面積36 m2(5 m×7.2 m)，重復(fù)3次。基肥隨整理深施尿素150 kg/hm2，磷酸二銨300 kg/hm2，其他田間管理與當(dāng)?shù)叵嗤?/p>

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

冠下區(qū)為相對(duì)應(yīng)的2樹干間，距樹干0.4 ～2.8 m處；遠(yuǎn)冠區(qū)為相對(duì)應(yīng)的2樹干間，距樹干2.8～5.2 m區(qū)域。近冠區(qū)數(shù)據(jù)為每處理東西2個(gè)近冠區(qū)數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.2.1 植株葉片形態(tài)

在冬小麥灌漿期，各試驗(yàn)小區(qū)取代表性樣段2行，每行50 cm。帶回室內(nèi)，選取生長(zhǎng)一致植株20株，用直尺測(cè)量旗葉、倒二葉、倒三葉和倒四葉葉長(zhǎng)和葉寬。葉長(zhǎng)為葉基部到葉尖的距離(cm)；葉寬為葉基部到葉尖最寬處的寬度(cm)。測(cè)量群體各器官綠色面積。葉面積采用長(zhǎng)寬系數(shù)法(葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.82)，測(cè)定不同葉層葉面積。

1.2.2.2 植株莖節(jié)形態(tài)

在小麥灌漿期用米尺測(cè)定株高、穗長(zhǎng)及各節(jié)間的長(zhǎng)度。用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗，各供試品種基本為5個(gè)節(jié)間，以穗下節(jié)間為倒1節(jié)間(J1)，其次為倒2節(jié)間(J2)、倒3節(jié)間(J3)、倒4節(jié)間(J4)，基部節(jié)間為倒5節(jié)間(J5)。

1.2.2.3 冠層溫濕度

于小麥灌漿期，選擇晴天(5月18～20日)于08:00～21:00使用MicroLite5032P溫度記錄儀(以色列產(chǎn))，測(cè)定不同處理冬小麥群體穗部空氣溫、濕度，每10 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)，連續(xù)觀測(cè)3 d，求其各時(shí)刻溫、濕度平均值。

1.2.2.4 光合有效輻射

在小麥灌漿期，選擇典型晴天于(5月18～20日)，利用SUNSCAN 冠層分析系統(tǒng)(英國(guó)Delta 公司生產(chǎn))，測(cè)定冬小麥冠層光截獲量。在測(cè)定小麥冠層光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)截獲時(shí)，采用垂直于麥行的測(cè)量方法。根據(jù)測(cè)得的小麥冠層頂部和底部的PAR 數(shù)據(jù)，利用式(1)[12]計(jì)算小麥冠層截獲的光合有效輻射量(IPAR)。

IPAR = PARincident - PARtransmitted.

(1)

式中，PARincident和PARtransmitted分別表示作物冠層頂部和底部的光合有效輻射量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel2016作圖，用SPSS19. 5軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理小麥葉片特征差異

研究表明,核麥間作模式下，隨著葉片層次的降低，冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥單株葉面積均呈“先升后降”趨勢(shì)，為倒2葉>旗葉>倒3葉>倒4葉。各處理間，隨著種植密度的增加，單株總?cè)~面積，冠下區(qū)表現(xiàn)為，M1>M2>M3>M4>M5，M1最大為86.17 cm2，分別較M2、M3、M4、M5增加了0.38%、6.90%、9.56%和15.99%，方差分析顯示，其與M2處理間差異不顯著，與M3、M4處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，與M5處理間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)；遠(yuǎn)冠區(qū)則表現(xiàn)為M2>M1>M3>M4>M5，M2最大為90.08 cm2，分別較M1、M3、M4、M5增加了0.82%、6.66%、9.93%和18.44%，方差分析顯示，其與M1處理間差異不顯著，與M3、M4處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，與M5處理間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。核麥間作模式下，種植密度對(duì)冬小麥葉片的形態(tài)特征影響顯著，適宜的種植密度可以有效增加單株葉面積，光合有效面積和小麥產(chǎn)量。表1

2.2 不同處理小麥莖稈特征差異

2.2.1 株高與節(jié)間長(zhǎng)度差異

研究表明,隨著節(jié)層層次的降低，滴灌冬小麥各節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度均呈依次降低變化趨勢(shì)，具體為J1>J2>J3>J4>J5。隨著種植密度的增加，各處理節(jié)層節(jié)間長(zhǎng)度和株高均逐漸增加，處理間株高變幅為76.49～81.66 cm(冠下區(qū))和78.34～86.27 cm(遠(yuǎn)冠區(qū))。冠下區(qū)穗長(zhǎng)隨著種植密度的增加總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但處理間規(guī)律不明顯；但遠(yuǎn)冠區(qū)穗長(zhǎng)隨著種植密度的增加呈“先增后減”的變化規(guī)律，在M2處理達(dá)到最大，最大值為8.03 cm，分別較相同區(qū)域的M1、M3、M4、M5處理增長(zhǎng)了9.10%、1.90%、4.56%和4.69%，方差分析顯示，其與M1處理間呈顯著差異水平(P<0.05)，與其余處理間差異不顯著。表2

2.2.2 莖節(jié)粗度差異

研究表明,種植密度調(diào)控核麥間作模式下冬小麥的群體結(jié)構(gòu)，對(duì)莖節(jié)粗度葉有一定影響。隨著種植密度的增加，核麥間作模式中冬小麥灌漿期各莖節(jié)粗度呈“先增后減”變化趨勢(shì)，且均以M2處理最粗，以倒三節(jié)(J3)莖粗度為例，分別為4.16 mm(遠(yuǎn)冠區(qū))和4.06 mm(冠下區(qū))；M5處理最細(xì)，分別為3.76 mm(遠(yuǎn)冠區(qū))和3.59 mm(冠下區(qū))。同一密度條件下，不論是冠下區(qū)還是遠(yuǎn)冠區(qū)，冬小麥各節(jié)莖稈粗度基本呈“先增后減”的變化規(guī)律，隨著冬小麥節(jié)位自上而下的下降，各處理基本以倒一節(jié)間(J1)最細(xì)，J3節(jié)最粗，二者相差波動(dòng)范圍在0.42～0.76 mm。增加種植密度冬小麥莖節(jié)粗度變細(xì)，不利于提高抗倒伏能力。表3

2.3 不同處理小麥冠層空氣溫、濕度差異

2.3.1 冠層空氣溫度

研究表明,灌漿期連續(xù)3 d觀測(cè)的冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)各種植密度冬小麥冠層內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)基本相同，均隨時(shí)間推移總體上呈“先升后降”的變化趨勢(shì)；冠下區(qū)各密度冠層空氣溫度(18.19～35.99℃)的變化幅度明顯低于遠(yuǎn)冠區(qū)(17.82～38.92℃)，且冠下區(qū)小麥冠層空氣溫度上午升溫和下午降溫速度相對(duì)較慢，高溫持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。分析各密度處理間冠層空氣溫度的差異可見，在遠(yuǎn)冠區(qū)下，M4(675×104株/hm2)和M5(750×104株/hm2)處理中，全天冠層空氣溫度相對(duì)較高，M3(525×104株/hm2)處理中，全天冠層空氣溫度相對(duì)較低，其與M4處理冠層日均溫相比降低1.71℃，與M5處理相比降低了2.29℃；冠下區(qū)全天冠層溫度以M1(375×104株/hm2)相對(duì)較高，M3(525×104株/hm2)處理亦是全天冠層溫度相對(duì)較低，2處理日均冠層溫度相差2.38℃。圖1

圖 1 不同處理下冬小麥灌漿期冠層溫度日變化(3d平均)Fig. 1 The canopy temperature changes at filling stage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.3.2 冠層空氣濕度

研究表明,冠層空氣濕度的與冠層空氣溫度的變化趨勢(shì)相反，冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)下各種植密度冬小麥冠層空氣濕度的變化趨勢(shì)基本相同，均隨著時(shí)間的推移均呈“先降后升”的變化曲線；冠下區(qū)各種植密度的冠層空氣濕度(44.73%～100%)明顯高于遠(yuǎn)冠區(qū)(36.62%～100%)，遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥冠層濕度上午降速慢、下午升速也慢，且濕度低谷持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，冠下區(qū)各處理低谷期濕度在36.62%～49.52%，遠(yuǎn)冠區(qū)各處理低谷期濕度在44.73%～59.73%。

冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥冠層濕度隨著密度的增加而增加，各處理間基本呈現(xiàn)M5>M4>M3>M2>M1。與冠下區(qū)相比，遠(yuǎn)冠區(qū)處理光照充足，小麥植株蒸騰及土壤蒸發(fā)使得冬小麥冠層濕度明顯升高，中午濕度低谷持續(xù)時(shí)間明顯縮短，不同種植密度間濕度差異明顯，M1處理濕度最低。圖2

圖2 不同處理下冬小麥灌漿期冠層濕度日變化(3 d平均)Fig.2 The canopy relative humidity changes at fillingstage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.4 不同處理小關(guān)冠層光合有效輻射差異

研究表明,在核麥間作模式下，核桃樹在11: 00～17: 00 間對(duì)下層小麥表現(xiàn)出明顯的遮陰效應(yīng)，對(duì)冠下區(qū)小麥冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR) 的影響較大，對(duì)遠(yuǎn)冠區(qū)的影響相對(duì)較小。從全天各測(cè)點(diǎn)小麥冠層頂部入射光合有效輻射量的平均值看，亦是冠下區(qū)最小、遠(yuǎn)冠區(qū)最大。不同密度處理對(duì)小麥冠層截獲的光合有效輻射量( IPAR) 也有影響，不論是冠下區(qū)還是遠(yuǎn)冠區(qū)的冠層光合有效輻射截獲量均呈“先升后降”的變化趨勢(shì)，且冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)均在M2處理達(dá)到最大，且日均冠層截獲的IPAR分別為113.37、486.39 μmol /(m2·s)，分別較同冠區(qū)的M1、M3、M4、M5處理增加了24.76%、19.37%、24.50%、31.20%和5.00%、10.15%、9.11%、12.95%，方差分析顯示，處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。在核麥間作模式下，適宜的種植密度可以有效增加冬小麥冠層光合有效輻射截獲量，提高光合效率，和增產(chǎn)。表4

表4 不同處理各位點(diǎn)小麥冠層頂部入射光合有效輻射量( PAR) 和截獲光合有效輻射量( IPAR) 的日變化Table 4 The daily change of photosynthetically active radiation( PAR) and intercepted photosynthetically active radiation( IPAR)in differenttreatments at each point

3 討 論

小麥冠層結(jié)構(gòu)特征不僅受內(nèi)在基因的控制，還受外部環(huán)境及栽培技術(shù)[13-15]等諸多因素影響，而在栽培技術(shù)中，種植密度是影響小麥冠層結(jié)構(gòu)的主要因素之一[17-18]。合理種植密度通過(guò)改善小麥群體冠層結(jié)構(gòu)以增加作物冠層對(duì)光能輻射的截獲，提高作物的光能利用效率，同時(shí)控制群體大小、分布，減少能量耗散，提高作物產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，在核麥間作模式下，冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)的冬小麥單株葉面積均呈“先升后降”趨勢(shì)；單株總?cè)~面積表現(xiàn)為冠下區(qū)隨著種植密度的增加呈逐漸降低的變化規(guī)律，而遠(yuǎn)冠區(qū)則隨著種植密度的增加呈“先增后降”的變化規(guī)律，在M2處理達(dá)到最大。隨著種植密度的增加，各處理節(jié)層節(jié)間長(zhǎng)度和株高均逐漸增加，冠下區(qū)株高變幅(76.49～81.66 cm)小于遠(yuǎn)冠區(qū)(78.34～86.27 cm)；各莖節(jié)粗度呈“先增后降”的變化趨勢(shì)，且均以M2處理最粗。在核麥間作模式下，增加種植密度冬小麥莖節(jié)粗度變細(xì)，不利于提高抗倒伏能力。

小麥灌漿期受溫度影響較大，冠層溫濕度過(guò)高、過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致小麥結(jié)實(shí)率降低。解樹斌等[19]、Blum A[20]均研究表明，灌漿期冠層溫度相對(duì)較低的小麥，生理代謝能力較強(qiáng)，有利于其大物質(zhì)積累和提高量很重要。氣溫20～24℃、相對(duì)濕度60%～80%是小麥籽粒灌漿較適宜的溫、濕度范圍[21]。研究結(jié)果表明，核麥間作模式下，冠下區(qū)各密度冠層溫度(18.19～35.99℃)的變化幅度明顯低于遠(yuǎn)冠區(qū)(17.82～38.92℃)，且冠下區(qū)小麥冠層溫度上午升溫和下午降溫速度相對(duì)較慢，高溫持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短；冠層空氣濕度冠下區(qū)(44.73%～100%)明顯高于遠(yuǎn)冠區(qū)(36.62%～100%)，且遠(yuǎn)冠區(qū)小麥冠層濕度上午降速慢、下午升速也慢，且濕度低谷持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，冠下區(qū)各處理低谷期濕36.62%～49.52%，遠(yuǎn)冠區(qū)各處理低谷期濕度在44.73%～59.73%。

農(nóng)作物對(duì)光能的利用受群體結(jié)構(gòu)的影響，適宜的種植密度能改變作物群體結(jié)構(gòu)，改善小麥冠層內(nèi)的輻射分布，提高光能利用率是小麥高產(chǎn)的基礎(chǔ)[22-23]。研究結(jié)果表明，核麥間作模式下，冠下區(qū)小麥冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR) 明顯低于遠(yuǎn)冠區(qū)；但冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)的冠層光合有效輻射截獲量均呈“先升后降”的變化趨勢(shì)，且冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)均在M2處理達(dá)到最大，這與趙會(huì)杰等[24]的研究結(jié)果相似。在核麥間作模式下，適宜的種植密度可以有效增加冬小麥冠層光合有效輻射截獲量，進(jìn)一步提高光合效率。

4 結(jié) 論

核麥間作下，遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥單葉面積、株高、莖粗均高于冠下區(qū)；隨著種植密度的增加，冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥各葉層葉面積、各節(jié)間長(zhǎng)度和節(jié)間粗度均呈“先增后減”的趨勢(shì)。冠下區(qū)上午升溫、下午降溫速度慢，高溫持續(xù)期短，冠下區(qū)各密度冠層溫度(18.19～35.99℃)的變幅低于遠(yuǎn)冠區(qū)(17.82～38.92℃)；遠(yuǎn)冠區(qū)冠層空氣濕度上午降速慢、下午升速也慢，濕度低谷持續(xù)期短，冠下區(qū)冠層空氣濕度(44.73%～100%)變幅高于遠(yuǎn)冠區(qū)(36.62%～100%)。冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR)冠下區(qū)明顯低于遠(yuǎn)冠區(qū)；冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)的冠層光合有效輻射截獲量隨著密度的增加均呈“先升后降”的趨勢(shì)，均在M2處理達(dá)到最大。核麥間作模式下冠下區(qū)、遠(yuǎn)冠區(qū)冬小麥葉型、株型特征及冠層溫濕度及光照指標(biāo)顯示，種植密度在525×104株/hm2較適宜。